Ao especificar o equipamento mecânico e elétrico de um edifício, é fácil presumir que capacidade extra é algo bom, mas pode ser tão contraproducente quanto ter instalações subdimensionadas. Em primeiro lugar, a capacidade extra tem um custo inicial mais alto, o que faz com que o proprietário do edifício assuma despesas desnecessárias. Há também muitos tipos de equipamentos que apresentam problemas de desempenho quando superprojetados, o que pode variar de baixa eficiência energética a uma vida útil reduzida. Em poucas palavras, sistemas superdimensionados vêm com um preço mais alto e um custo operacional maior.
Este artigo fornecerá uma visão geral dos sistemas de construção que são mais comumente projetados em excesso, apontando as armadilhas que devem ser evitadas e as consequências negativas que podem advir da capacidade excessiva.
1) Dutos de ar
Os dutos de ar desempenham um papel muito importante em sistemas HVAC que usam unidades de telhado empacotadas ou chillers com unidades de tratamento de ar, e projetar sistemas de dutos adequadamente é crítico para garantir alto desempenho. Para edifícios da cidade de Nova York, os sistemas de dutos devem atender aos requisitos definidos em:
- O código de construção de NYC
- O Código Mecânico de Nova York, que dedica todo o seu Capítulo 6 aos sistemas de dutos
- Manual de Fundamentos da ASHRAE
- Padrões de construção de dutos HVAC pela SMACNA (Associação Nacional de Empreiteiros de Chapas Metálicas e Ar Condicionado)
O projeto adequado de dutos é baseado no controle de duas variáveis-chave: velocidade do ar e queda de pressão. Quando essas variáveis excedem sua faixa de projeto ideal, o sistema de dutos se torna barulhento e ineficiente. Idealmente, um sistema de dutos deve ser projetado para uma queda de pressão de 0,08 polegadas de água a cada 100 pés de comprimento, e a velocidade do ar deve ser mantida abaixo de 1200 pés por minuto.
Tanto a queda de pressão quanto a velocidade diminuem à medida que a área da seção transversal de um duto se torna maior, mas há um limite superior para o quanto o tamanho do duto pode ser aumentado.
- O sistema se torna mais caro, pela simples razão de que os custos de material e mão de obra são mais altos.
- O processo de design de outros sistemas de construção pode ser complicado pelo fato de que os dutos ocupam muito espaço. Pode até ser necessário reduzir a altura do teto, interrompendo o design arquitetônico.
- Dutos superdimensionados aumentam a potência do ventilador porque um volume maior de ar precisa ser movido pelo sistema.
Um projeto de duto ideal mantém a queda de pressão e a velocidade do ar abaixo dos valores de projeto, ao mesmo tempo em que otimiza a área da seção transversal da tubulação.
2) Caldeiras
Mesmo em edifícios onde caldeiras de alta eficiência são usadas, o aquecimento é normalmente uma das maiores despesas de energia – isso é especialmente verdadeiro para Nova York e outras cidades ao nordeste do país, que têm invernos frios. Existem sistemas de caldeira para praticamente qualquer tipo de entrada de energia, incluindo combustíveis fósseis como óleo ou gás natural, eletricidade ou fontes alternativas como luz solar e biodiesel.
Dado o papel crítico que desempenham em edifícios, bem como as potenciais consequências negativas que podem advir do mau funcionamento do sistema, o Departamento de Edifícios de Nova York tem uma Unidade de Caldeira dedicada. Esta unidade supervisiona a instalação e operação de caldeiras e executa um ciclo de inspeção anual para todos os sistemas atualmente em operação. As caldeiras são abordadas no Código de Construção de Nova York, Código Mecânico e Código de Encanamento, e o Código de Gás Combustível também se aplica se a caldeira for baseada em combustão.
Redundância é desejável em sistemas de caldeiras, mas instalar duas caldeiras dimensionadas para a carga total do edifício pode resultar em bastante capacidade não utilizada e um alto custo inicial. A melhor recomendação de projeto é dimensionar cada caldeira para 60% da carga total do edifício, o que fornece um grau favorável de redundância, bem como uma capacidade extra de 20% que pode ser usada durante o aquecimento inicial do edifício. Evitar “regras práticas” é fortemente recomendado, pois elas podem resultar em sistemas de caldeiras que são duas a três vezes maiores do que o necessário.
As caldeiras podem eventualmente ser substituídas por sistemas de fluxo de refrigerante variável (VRF), que oferecem uma eficiência energética muito maior, bem como maior flexibilidade para atender a cargas de aquecimento variáveis. Como implícito em seu nome, os sistemas VRF usam refrigerante para fornecer ou remover calor, e a velocidade é controlada de acordo com a carga atual do edifício. As vantagens dos sistemas VRF são significativas:
- Eles podem usar bombas de calor, que operam tanto no modo de aquecimento quanto no de resfriamento, deslocando tanto caldeiras quanto condensadores de CA tradicionais. Os modelos mais recentes de bombas de calor oferecem uma eficiência comparável a um chiller no modo de resfriamento, e no modo de aquecimento podem fornecer economias de mais de 70% em comparação a um aquecedor de resistência.
- O calor é transportado em linhas de refrigerante, que são muito mais compactas que canos de água e dutos de ar.
- Os sistemas VRF são modulares, o que permite que sejam expandidos incrementalmente de acordo com as necessidades do edifício – caldeiras, chillers e unidades de telhado compactas são limitadas neste aspecto por suas capacidades fixas.
Os sistemas VRF são muito populares no Japão, onde foram desenvolvidos, assim como na Europa. Eles são relativamente novos no mercado dos EUA, mas seu custo instalado é comparável ao de um sistema tradicional baseado em chiller.
3) Ar condicionado
O desempenho do equipamento de ar condicionado melhora em proporção direta ao quão bem a unidade corresponde à aplicação. Há uma crença comum, mas errônea, de que é preferível superdimensionar a unidade, para que ela possa resfriar espaços internos mais rapidamente, reduzindo o tempo de execução do compressor. No entanto, isso vem com muitos problemas de desempenho. Além disso, embora o compressor funcione menos tempo, ele também consome mais energia do que uma unidade de tamanho adequado, então a economia de energia é mínima ou nula.
Os sistemas de ar condicionado são abordados no NYC Building Code e no Mechanical Code. O ASHRAE Handbook of Fundamentals também é uma referência sólida ao projetar qualquer sistema HVAC.
Controle de umidade ruim
Um sistema de ar condicionado eficaz não apenas remove o calor interno; ele também mantém a umidade dentro de uma faixa confortável para os seres humanos. Quando um sistema de CA é superdimensionado, ele pode atingir a temperatura interna necessária em um período de tempo menor, e então o compressor é desligado – ou desacelerado em unidades modernas com capacidades de velocidade variável. O problema quando as unidades de CA operam assim é que não há tempo suficiente para que elas levem a umidade interna a níveis aceitáveis, e isso resulta em um ambiente interno frio, mas úmido, semelhante a uma geladeira. Além de causar desconforto, esta é uma situação que pode resultar em problemas de saúde respiratória entre os ocupantes.
Ciclagem excessiva do compressor
Uma unidade de CA superdimensionada tem potência de resfriamento extra, então pode trazer a temperatura interna em menos tempo do que um sistema de tamanho adequado. Isso significa que a unidade tenderá a operar em uma série de rajadas curtas, o que pode desgastar componentes elétricos e mecânicos, reduzindo sua vida útil. Por outro lado, um compressor de tamanho adequado funciona por períodos mais longos, mas sem partidas e paradas frequentes, que é o modo de operação pretendido.
Quando as instalações de CA são comparadas com base no custo total de propriedade, considerando tanto as despesas de energia e manutenção quanto sua vida útil, um sistema de capacidade ideal é superior a sistemas subdimensionados ou superdimensionados.
Desconforto para os ocupantes
Como uma unidade de CA superdimensionada tem poder de resfriamento excessivo para a aplicação, sentar-se logo abaixo de uma abertura de duto de ar ou na frente de um evaporador pode ser muito desconfortável. Os ventiladores dos evaporadores são normalmente dimensionados em proporção à unidade de CA, então o ar é frio e se move rápido, causando um efeito de resfriamento.
4) Energia Elétrica
Muitos dispositivos e sistemas usados em edifícios funcionam com energia elétrica, e isso inclui muitos tipos de equipamentos mecânicos. Ao especificar instalações elétricas, o mesmo princípio usado em sistemas mecânicos se aplica: os componentes devem ter a capacidade certa para a aplicação, nem menos e nem mais. As instalações elétricas na cidade de Nova York são obrigadas a cumprir os seguintes códigos:
- Código de construção de Nova York, em particular o Capítulo 27
- Código Elétrico de NYC
- NFPA 70: Código Elétrico Nacional
- No caso de sistemas de energia de emergência e de espera, a conformidade com a NFPA 110, NFPA 111 e o Código de Gás Combustível de Nova York também é necessária.
Alimentadores e circuitos de derivação superdimensionados
Circuitos elétricos subdimensionados tendem a falhar rapidamente, às vezes em poucas horas, mas circuitos superdimensionados não têm consequências negativas em termos de operação. Na verdade, um circuito elétrico superdimensionado sofre uma queda de tensão e perda de energia menores do que um circuito de tamanho adequado. No entanto, esse benefício é insignificante em comparação com o aumento do custo do projeto que vem com instalações elétricas superdimensionadas.
Motores elétricos
O caso dos motores é diferente do dos condutores, e há várias consequências negativas quando eles são superdimensionados:
- A eficiência do motor é reduzida em condições de carga parcial. Para uma determinada carga mecânica, um motor devidamente especificado operando próximo à carga máxima será mais eficiente do que um motor superdimensionado.
- O fator de potência também é reduzido. O motor superdimensionado consome uma alta corrente reativa, o que pode contribuir para encargos de fator de potência na conta de energia. A corrente reativa extra também consome capacidade em transformadores, quadros de distribuição e circuitos, sem contribuir para a transmissão de energia útil.
Quando os motores são submetidos a condições de carga parcial com frequência, a melhor opção é usar tecnologias que permitam o controle de velocidade: motores comutados eletronicamente (ECMs) podem ser usados para aplicações de potência fracionada, e inversores de frequência variável (VFDs) com motores trifásicos podem ser implantados para cargas maiores.
Se os motores de um edifício forem atualizados, três aspectos devem ser considerados para alcançar os melhores resultados possíveis:
- Potência adequada.
- Atualização para um nível de eficiência mais alto, por exemplo, NEMA Premium.
- Implementação de medidas de automação e controle de velocidade.
Em sistemas de ar condicionado baseados em chillers, é possível obter uma sinergia excepcional se a planta de chillers tiver compressores multiestágios de velocidade variável, enquanto as bombas de água e AHUs associadas usarem motores com controle de velocidade.
5) Sistemas de aspersão
Um layout de construção complexo normalmente significa que o sistema de sprinklers de incêndio terá um layout de tubulação de complexidade semelhante, bem como uma alta contagem de sprinklers. Quando as equipes responsáveis pelo projeto arquitetônico e projeto de proteção contra incêndio trabalham isoladas, sistemas complexos de sprinklers são uma consequência comum. Esses sistemas vêm com muitas desvantagens:
- O custo inicial aumenta, tanto em termos de materiais quanto de mão de obra.
- As bombas devem ser maiores para fornecer pressão de água e vazão adequadas para um sistema com maior comprimento de tubulação e maior número de aspersores.
A seguir estão algumas recomendações de projeto para otimizar layouts de sprinklers, reduzindo sua complexidade e custo inicial:
- Coordenar o projeto de sprinklers contra incêndio e o projeto arquitetônico, para que a interferência de elementos do teto, como saliências e beirados, seja minimizada.
- Sempre que possível, combine cômodos menores em áreas únicas, porque cada vez que um cômodo pequeno é adicionado, a contagem de sprinklers é aumentada em um.
Ao projetar sistemas de sprinklers em Nova York, é importante observar os requisitos definidos nas seguintes normas e códigos:
- Código de Construção de Nova York, em particular Capítulo 7 (Características de Proteção contra Incêndio e Fumaça), Capítulo 9 (Sistemas de Proteção contra Incêndio) e Apêndice Q (Modificações nas Normas Nacionais).
- Código de incêndio de NYC
- NFPA 13 – Norma para a instalação de sistemas de sprinklers
- NFPA 13D – Norma para a instalação de sistemas de sprinklers em residências unifamiliares e bifamiliares e casas pré-fabricadas
- NFPA 13R – Norma para a instalação de sistemas de sprinklers em ocupações residenciais de baixa altura
É importante observar que o Apêndice Q do Código de Construção tem precedência sobre os padrões nacionais, introduzindo modificações específicas para Nova York.
Observações Finais
Há muitas razões para não superdimensionar sistemas mecânicos e elétricos de construção. Na maioria dos casos, sistemas superdimensionados são tão problemáticos quanto sistemas subdimensionados, se não mais, causando problemas de desempenho e despesas extras de manutenção. Mesmo quando não há problemas de desempenho associados à capacidade extra, isso representa um custo inicial mais alto que deve ser assumido pelo proprietário do edifício.
Contratar projetistas profissionais de MEP é a melhor maneira de garantir que todos os sistemas de construção sejam especificados de forma otimizada de acordo com a aplicação em questão. Atender aos códigos e padrões aplicáveis é obrigatório para que um edifício seja aprovado, mas esses documentos geralmente especificam apenas os requisitos mínimos – com design profissional, um projeto pode atender aos requisitos do código enquanto maximiza o desempenho.
